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第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 工业机器人概述 2

1.2.1 机器人系统的基本组成 2

1.2.2 工业机器人常见的结构 3

1.3 基本概念及其定义 6

1.3.1 机器人的自由度与活动度 6

1.3.2 运动副或关节 6

1.3.3 运动链 7

1.3.4 机构 7

1.3.5 笛卡儿坐标系和广义坐标 8

1.3.6 位形空间 8

1.3.7 工作空间 11

1.3.8 额定速度与额定负载 11

1.3.9 精度 11

本章小结 13

第2章 空间描述与变换 14

2.1 机器人坐标系统 14

2.2 位置和姿态的表示 17

2.2.1 位置的描述 18

2.2.2 姿态的描述 19

2.3 点在不同坐标系下的映射 21

2.3.1 平移映射 21

2.3.2 旋转映射 21

2.3.3 复合映射 22

2.3.4 齐次矩阵的逆 23

2.4 齐次坐标变换 24

2.4.1 平移变换 24

2.4.2 旋转变换 25

2.5 刚体的旋转 29

2.5.1 欧拉角表示法 29

2.5.2 一般的旋转变换 32

2.5.3 Euler-Rodrigues参数 34

本章小结 36

第3章 机器人正逆运动学 37

3.1 机器人运动链描述 37

3.2 机器人运动D-H表示法 38

3.2.1 D-H参数的几何意义 38

3.2.2 D-H坐标系的建立 39

3.2.3 D-H参数表的建立 40

3.2.4 D-H坐标系之间的齐次变换 42

3.3 机器人正运动学 44

3.4 机器人逆运动学 48

3.4.1 平面3R机械臂逆解 49

3.4.2 空间6R机械臂逆解 51

本章小结 57

第4章 速度与雅可比矩阵 58

4.1 刚体的运动速度与加速度 58

4.1.1 刚体上点的速度和加速度分析 58

4.1.2 点相对于刚体移动速度与加速度分析 61

4.2 串联工业机械臂速度分析 62

4.2.1 微分方法 62

4.2.2 几何方法 64

4.2.3 雅可比矩阵的变换 71

4.2.4 关节速率的求解 72

4.2.5 奇异位形分析 73

4.2.6 机器人性能指标 75

本章小结 78

第5章 刚体一般运动及螺旋 79

5.1 空间直线的Plücker坐标 79

5.2 刚体的一般运动 80

5.3 刚体的一般瞬时运动 82

5.4 刚体的运动螺旋 83

5.5 机构中连杆基本的瞬时运动 84

5.5.1 连杆的瞬时转动 84

5.5.2 连杆的瞬时移动 85

5.5.3 连杆的瞬时螺旋运动 85

5.5.4 机械臂的运动螺旋 86

5.6 螺旋代数运算 87

5.7 刚体上作用的力螺旋 88

5.7.1 空间任意力系的平衡方程 88

5.7.2 刚体上作用力的螺旋表示 90

5.7.3 反螺旋的物理意义 91

本章小结 93

第6章 关节轨迹规划 94

6.1 三次多项式规划 95

6.2 直线与抛物线混合规划 96

6.3 多点的三次多项式规划 98

6.4 多点直线与抛物线混合规划 99

本章小结 100

第7章 机器人动力学 101

7.1 静力学 101

7.1.1 单个杆件静力学 101

7.1.2 递归法计算关节力 103

7.1.3 能量方法 106

7.2 牛顿－欧拉方程 107

7.2.1 单杆牛顿－欧拉方程 107

7.2.2 动力学方程的物理意义 112

7.2.3 机器人动力学方程的结构 113

7.2.4 机器人系统计算仿真 114

7.2.5 递归牛顿－欧拉算法 116

7.3 拉格朗日方程 120

7.3.1 第一类拉格朗日方程 120

7.3.2 第二类拉格朗日方程 122

7.3.3 欧拉－拉格朗日方程 126

7.3.4 n自由度机械臂动力学方程 127

本章小结 131

第8章 机器人控制 132

8.1 二阶线性系统 132

8.2 二阶线性系统的控制 133

8.3 机器人独立关节控制 136

8.3.1 永磁直流电机模型 136

8.3.2 含轮系的直流电机控制模型 138

8.3.3 单关节独立控制模型 140

8.3.4 PD控制器 140

8.3.5 PID控制器 141

8.3.6 PID控制器增益的选择 142

8.3.7 前馈控制 143

8.4 动态控制 145

8.4.1 控制分解法 145

8.4.2 机器人计算力矩控制法 147

本章小结 151

附录 152

附录A 数学基础 152

附录B 旋转矩阵与四元数参数转换算法 160

附录C 动力学基础知识 162

附录D 单杆PD控制仿真 166

附录E 独立关节控制仿真 168

附录F PD计算力矩控制仿真 171

参考文献 175

名词索引 177